penerapan doubly-fed induction generator untuk

Jurnal Edukasi Elektro, Vol. 1, No. 1, Mei 2017
http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/
e-ISSN : 2548-8260
PENERAPAN DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR UNTUK
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN
Radita Arindya
Universitas Satyagama Jakarta
Email : [email protected]
ABSTRACT
Wind energy has become one of the most important and promising sources of renewable energy, which
demands additional transmission capacity and better means of maintaining system reliability. The evolution of
technology related to wind systems industry leaded to the development of a generation of variable speed wind
turbines that present advantages compared to the fixed speed wind turbines. These wind energy conversion
systems are connected to the grid through Voltage Source Converters (VSC) to make variable speed operation
possible. The studied system here is a variable speed wind generation system based on Doubly Fed Induction
Generator (DFIG). The rotor side converter (RSC) usually provides active and reactive power control of the
machine while the grid-side converter (GSC) keeps the voltage of the DC-link constant. The additional freedom
of reactive power generation by the GSC is usually not used due to the fact that it is more preferable to do so
using the RSC. However, within the available current capacity the GSC can be controlled to participate in
reactive power generation in steady state as well as during low voltage periods. The GSC can supply the
required reactive current very quickly while the RSC passes the current through the machine resulting in a
delay. Both converters can be temporarily overloaded, so the DFIG is able to provide a considerable
contribution to grid voltage support during short circuit periods. This report deals with the introduction of
DFIG, AC/DC/AC converter control and finally the SIMULINK/MATLAB simulation for isolated Induction
generator as well as for grid connected Doubly Fed Induction Generator and corresponding results and
waveforms are displayed.
Keyworld : DFIG, Wind Turbin, Simulink
ABSTRAK
Dalam beberapa tahun terakhir, energi angin telah menjadi salah satu sumber energi terbarukan yang
penting dan menjanjikan. Adapun sistem ini, menuntut kapasitas transmisi tambahan dan sarana yang lebih baik
untuk menjaga kehandalan sistem. Evolusi teknologi yang berkaitan dengan industri pembangkit tenaga angin
berkembang dengan generasi baru dari turbin angin dengan variable kecepatan, yang mempunyai keuntungan
dibandingkan dengan turbin angin dengan kecepatan tetap. Pada sistem dengan variable kecepatan, konversi
energi angin terhubung ke grid melalui Voltage Sources Converters (Konverter Sumber Tegangan) untuk
membuat variabel kecepatan yang dioperasikan. Sistem yang diuraikan adalah pengaturan kecepatan angin
variabel menggunakan Doubly Fed Induction Generator (DFIG). Stator generator terhubung langsung ke
jaringan sementara rotor, terhubung melalui sebuah converter back-to-back . Untuk dapat memanfaatkan tenaga
angin secara efisien, sistem yang dapat diandalkan terdapat pada grid yang terhubung ganda pada generator
induksi. Konverter sisi rotor (RSC) biasanya memberikan kontrol daya aktif dan reaktif dari mesin sementara
converter grid-sisi (GSC) menjaga tegangan dari link-DC konstan. Tambahan pembangkit daya reaktif oleh GSC
biasanya tidak digunakan karena lebih jika menggunakan RSC. Dalam kapasitas saat ini tersedia GSC yang
dapat dikendalikan untuk penggunaan daya reaktif dalam kondisi stabil serta selama periode tegangan rendah.
GSC dapat memasok arus reaktif yang dibutuhkan dengan sangat cepat sementara RSC melewati arus melalui
mesin mengakibatkan waktu tunda. Kedua konverter sementara dapat terjadi kelebihan beban, sehingga DFIG
ini mampu memberikan kontribusi yang cukup besar ke grid tegangan dukungan selama periode arus hubung
singkat. Penelitian ini berkaitan dengan pengenalan DFIG, AC/DC/AC kontrol converter dengan simulasi
SIMULINK / MATLAB untuk Induksi Generator terisolasi dengan grid terhubung Generator Induksi Ganda Fed
dan hasil yang sesuai dan bentuk gelombang yang ditampilkan.
Kata kunci : DFIG, turbin Angin, Simulink
57
Radita Arindya: Penerapan Doubly-Fed Induction Generator Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Angin
simulasi SIMULINK / MATLAB untuk
mengisolasi Induksi Generator serta untuk
grid terhubung Doubly Fed Induction
Generator dan hasil yang sesuai serta bentuk
gelombang yang ditampilkan.
PENDAHULUAN
Dalam beberapa tahun terakhir, energi angin
telah menjadi salah satu sumber penting dan
menjanjikan sebagai salah satu bentuk energi
terbarukan. Evolusi teknologi yang berkaitan
dengan industri pembangkit tenaga angin
bertambah, dengan perkembangan turbin
angin dengan variable kecepatan yang
menjanjikan
banyak
keuntungan
dibandingkan dengan turbin angin dengan
kecepatan tetap. Pada sistem dengan variable
kecepatan, konversi energi angin terhubung ke
grid melalui Voltage Sources Converters
(Konverter
Sumber
Tegangan)
untuk
membuat
variabel
kecepatan
yang
dioperasikan. Sistem yang diuraikan adalah
pengaturan kecepatan angin yang bervariasi
menggunakan
Doubly
Fed
Induction
Generator (DFIG). Stator generator terhubung
langsung ke jaringan sementara rotor
terhubung melalui sebuah converter back-toback yang dimensioned untuk berdiri hanya
sebagian kecil dari generator pengenal.
Converter sistem kontrol
Bagian untuk mendukung PWM converter
memiliki dua konverter, satu terhubung ke sisi
rotor dan lain terhubung ke sisi grid.
Untuk dapat memanfaatkan tenaga
angin secara efisien, pada era sekarang, sistem
yang paling dapat diandalkan adalah grid
terhubung ganda dengan generator induksi.
DFIG ini membawa keuntungan dari
pemanfaatan pergantian rasio dari mesin,
sehingga konverter tidak perlu dinilai untuk
mesin pengenal secara penuh. Converter sisi
rotor (RSC) biasanya memberikan kontrol
daya aktif dan reaktif dari mesin, sementara
converter grid-sisi (GSC) menjaga tegangan
dari link-DC konstan. Tambahan pembangkit
daya reaktif oleh GSC biasanya tidak
digunakan karena fakta bahwa lebih baik
dengan menggunakan RSC. Namun, dalam
kapasitas saat ini telah tersedia GSC yang
dapat dikendalikan untuk mendukung generasi
daya reaktif dalam kondisi mapan serta
selama periode tegangan rendah. GSC dapat
memasok arus reaktif yang dibutuhkan
dengan sangat cepat, sementara RSC melewati
arus
melalui
mesin
mengakibatkan
penundaan. Kedua konverter sementara
mengalami kelebihan beban, sehingga DFIG
ini mampu memberikan kontribusi yang
cukup besar ke grid tegangan dukungan
selama periode arus pendek. Artikel ini
berkaitan dengan pengenalan DFIG, kontrol
converter AC / DC / AC dan akhirnya
Gambar.1.Karakteristik daya pada turbin
Konverter sisi-rotor digunakan untuk
mengontrol daya keluaran dan tegangan turbin
angin yang diukur pada terminal grid. Daya
dikendalikan untuk mengikuti karakteristik
daya kecepatan yang telah ditetapkan,
karakteristik tersebut dinamakan pelacakan.
Karakteristik ini diilustrasikan oleh Kurva
ABCD ditumpangkan dengan karakteristik
tenaga mesin turbin diperoleh pada kecepatan
angin yang berbeda. Kecepatan sebenarnya
dari ωr turbin diukur sesuai dengan tenaga
mesin. Karakteristik pelacakan digunakan
sebagai referensi untuk kekuatan kontrol loop.
Karakteristik pelacakan didefinisikan oleh
empat point: A, B, C dan D. Dari kecepatan
nol untuk mempercepat dari titik A referensi
adalah nol. Antara titik A dan B titik
pelacakan karakteristik berupa garis lurus.
Antara titik B dan C karakteristik pelacakan
adalah lokus dari kekuatan maksimum turbin
(maksimum kurva daya turbin vs kecepatan
turbin). Karakteristik pelacakan berupa garis
lurus dari titik C dan D. Daya pada titik D
adalah satu per unit. Di luar titik D kekuatan
referensi adalah sama terus-menerus untuk
satu per unit.
58
Jurnal Edukasi Elektro, Vol. 1, No. 1, Mei 2017
http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/
e-ISSN : 2548-8260
Pembuatan SIMULINK MATLAB
DFIG
Berikut akan dijabarkan pembuatan
simulasi dengan menggunakan SIMULINK
MATLAB, tahap pertama pembuatan simulasi
ini adalah : Wind turbine driven Isolated
Induction Generator model Simulation in
SIMULINK, seperti terlampir pada Gambar 3.
Generator
Induksi
(IG)
akan
beroperasi jika didorong oleh variabel-pitch
Turbin Angin. Kasus sebuah peternakan
terdiri dari enam turbin angin 1,5-MW
terhubung ke 25-kV dengan pendistribusian
kekuatan untuk grid 120-kV melalui
pengumpan 25-km 25-kV. Pembangkit listrik
tenaga angin 9-MW disimulasikan dengan
tiga pasang turbin angin masing-masing 1,5
MW.
Gambar 2.Blok diagram kontrol konverter
rotor
Untuk kontroler rotor-sisi sumbu-d,
digunakan sebagai kerangka acuan berputar
dan digunakan untuk transformasi sejalan
dengan fluks gap udara. Output daya listrik
yang sebenarnya diukur pada terminal grid
turbin angin, yang ditambahkan dengan rugi
daya total (mekanik dan listrik) dan
dibandingkan dengan kekuatan referensi yang
diperoleh dari karakteristik pelacakan. Sebuah
regulator
Proporsional-Integral
(PI)
digunakan untuk mengurangi kesalahan
kekuatan nol.
Output dari regulator ini, adalah
referensi arus rotor (Iqr_ref) yang harus
disuntikkan pada rotor oleh converter Crotor.
Ini adalah komponen arus yang menghasilkan
torsi elektromagnetik (Tem). Komponen Iqr
sebenarnya dibandingkan dengan Iqr_ref dan
kesalahan dikurangi menjadi nol oleh
regulator (PI). Output dari kontroler adalah
tegangan Vqr yang dihasilkan oleh Crotor.
Regulator saat ini, dibantu oleh ‘feed forward’
yaitu komponen yang memprediksi Vqr.
Tegangan pada terminal jaringan dikendalikan
oleh daya reaktif yang dihasilkan atau diserap
oleh converter Crotor. Daya reaktif yang
dipertukarkan antara Crotor dan grid, melalui
generator. Dalam proses pertukaran generator
untuk menyerap daya reaktif dan untuk saling
memasok kebocoran induktansi. Kelebihan
daya reaktif dikirim ke grid atau Crotor.
Gambar 3. Diagram SIMULINK untuk
kendali Turbin Angin pada generator induksi
terisolasi jenis sangkar tupai
Gambar 4. Blok diagram turbin angin
Turbin angin menggunakan generator
induksi sangkar tupai (IG). Stator berliku
59
Radita Arindya: Penerapan Doubly-Fed Induction Generator Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Angin
terhubung langsung ke jaringan 60Hz dan
rotor digerakkan oleh sebuah variable pitch
turbin angin. Sudut pitch dikontrol untuk
membatasi daya keluaran pada generator, jika
nilai nominal angin melebihi kecepatan
nominal (9m/s). Untuk menghasilkan daya,
kecepatan IG harus sedikit di atas kecepatan
sinkron. Kecepatan bervariasi berkisar antara
1pu tanpa beban dan 1,005 pu pada beban
penuh. Setiap turbin angin memiliki sistem
pemantauan perlindungan tegangan dan
kecepatan. Daya reaktif diserap oleh IGS dan
sebagian dikompensasi oleh kapasitor bank
yang terhubung pada setiap tegangan bus
turbin angin (400 kvar untuk setiap pasang
turbin 1,5 MW) dan sisa daya reaktif yang
diperlukan untuk menjaga tegangan 25-kV
pada bus B25 mendekati 1 pu disediakan oleh
3-Mvar STATCOM dengan pengaturan droop
3%.
data yang berhubungan dengan nilai-nilai
tersebut yang digunakan untuk melihat apakah
harus diperbaiki atau tidak. Alasan yang
berbeda untuk memperbaiki adalah mungkin
tegangan puncak AC, di bawah tegangan atau
lebih dari saat ini, tegangan lebih, arus bawah
DC, kecepatan lebih, atau kecepatan kurang.
Tergantung pada alasan tersebut di
atas sinyal laju diberikan pada sirkuit dengan
perjalanan waktu. Gambar wind turbin
protection dapat dilihat pada Gambar 5.
Karakteristik output
Karakteristik output adalah respon
turbin terhadap perubahan kecepatan angin.
Simulasi dimulai dengan mengamati sinyal
pada "Turbin Angin", lingkup pemantauan
daya aktif dan reaktif, kecepatan generator,
kecepatan angin dan sudut pitch untuk setiap
turbin. Untuk setiap pasang turbin, daya aktif
yang dihasilkan mulai meningkat bersama
dengan kecepatan angin untuk mencapai nilai
dinilai dari 3 MW di sekitar 8s. Selama jangka
waktu tersebut kecepatan turbin akan
meningkat dari 1,0028 pu menjadi 1,0047 pu.
Awalnya, sudut pitch dari bilah turbin adalah
nol derajat. Ketika daya keluaran melebihi 3
MW, sudut pitch meningkat dari 0 derajat
sampai 8 derajat untuk membawa daya
keluaran kembali ke nilai nominal. Perhatikan
bahwa daya reaktif diserap meningkat dengan
meningkatnya daya aktif yang dihasilkan.
Pada daya nominal, setiap pasangan turbin
angin menyerap 1,47 Mvar. Untuk kecepatan
angin 11m/s, total daya yang dihasilkan
diukur pada bus B25 adalah 9 MW dan
STATCOM mempertahankan tegangan pada
0,984 pu dengan menghasilkan 1,62 Mvar.
Gambar 5. SIMULINK proteksi pada Turbin
Angin
Akusisi Data pada Angin Turbin
Blok diagram untuk akuisisi data
pembangkit dapat dilihat pada Gambar 4.
Sinyal input tegangan dan saat ini
memberikan keuntungan dan akhirnya output
yang dihasilkan saat ini adalah urutan positif
untuk nilai-nilai tegangan dan daya aktif dan
reaktif. Dimana nilai gain
K = [1 exp (j * 2 * pi / 3) exp (-j * 2 * pi / 3)].
Dalam blok menu turbin angin ada
empat set parameter yang ditentukan untuk
turbin, generator dan konverter (grid-side dan
rotor-samping). 6-turbin angin pada kasus
bidang pertanian disimulasikan dengan blokturbin angin tunggal dengan mengalikan tiga
parameter berikut dengan enam, sebagai
berikut: angin nominal mekanis keluaran
turbin = 6 * 1.5e6 watt, ditetapkan dalam
menu data pembangkit listrik Turbin yang di
rata-rata menjadi = 6 * 1.5/0.9 MVA (6 * 1,5
MW pada pf 0,9), ditentukan dalam data
menu Generator DC bus kapasitor nominal =
6 * 10000 mikrofarad. Hal ini ditentukan
dalam data Converters menu. Perhatikan pada
menu kontrol parameter dalam "Mode
Proteksi Turbin Angin
Blok Ini adalah blok untuk proteksi
turbin angin terhadap tegangan dan arus.
Tegangan DC diberikan sebagai masukan dan
60
Jurnal Edukasi Elektro, Vol. 1, No. 1, Mei 2017
http://journal.uny.ac.id/index.php/jee/
e-ISSN : 2548-8260
operasi" diatur ke "Pengaturan tegangan" pada
tegangan terminal yang akan dikontrol ke nilai
yang dipaksakan dari tegangan referensi (Vref
= 1 pu) dan dihasilkan rugi tegangan (Xs =
0,02 pu).
Induksi Generator. Di sini juga digunakan
sistem proteksi yang memberikan sinyal ke
sistem jika ada kesalahan pada sistem.
Kesalahan dapat terjadi ketika kecepatan
angin menurun ke nilai rendah atau memiliki
fluktuasi. DFIG ini dapat memberikan cukup
kontribusi untuk dukungan pada tegangan di
jaringan selama periode arus pendek. Dari
simulasi disimpulkan bahwa generator induksi
doubly terbukti lebih handal dan sistem yang
stabil ketika terhubung ke sisi grid dengan
sistem kontrol converter yang tepat.
Respon turbin terhadap perubahan
kecepatan angin
Dalam blok Kecepatan Angin,
langkah menentukan kecepatan angin yaitu;
Pertama, kecepatan angin ditetapkan sebesar 8
m/s, kemudian pada saat t = 5s, kecepatan
angin meningkat tiba-tiba menjadi 14 m/s.
Kedua, simulasi dan mengamati sinyal pada
ruang lingkup "Turbin Angin" kemudian
memantau tegangan turbin angin, arus, daya
aktif dan reaktif, tegangan DC dan kecepatan
turbin yang dihasilkan. Pada saat t = 5s, daya
aktif yang dihasilkan mulai meningkat
(bersamaan dengan kecepatan turbin) dan
mencapai nilai 9 MW di sekitar 20s. Selama
jangka waktu tersebut kecepatan turbin akan
meningkat dari 0,8 ke 1,21 PU. Awalnya,
sudut pitch blade turbin adalah nol derajat dan
titik operasi turbin mengikuti kurva merah
dari karakteristik daya turbin sampai titik D.
Kemudian sudut pitch meningkat dari 0
derajad menjadi 0,76 derajad untuk
membatasi tenaga mesin. Juga diamati
tegangan dan daya reaktif yang dihasilkan.
Daya
reaktif
dikendalikan
untuk
mempertahankan tegangan 1 PU. Pada daya
nominal, turbin angin menyerap 0,68 Mvar
(dihasilkan Q = -0,68 Mvar) untuk
mengontrol tegangan pada 1PU.
DAFTAR RUJUKAN
Hans Øverseth Røstøen Tore M. Undeland
Terje Gjengedal. IEEE paper on
doubly fed induction generator in a
wind turbine.
S. K Salman and Babak Badrzadeh. IEEE
paper on New Approach for
modelling Doubly-Fed Induction
Generator
(DFIG)
for
gridconnection studies.
Slootweg JG, Polinder H, Kling WL.
Dynamic modeling of a wind turbine
with doubly fed induction generator.
IEEE Power Engineering Summer
Meeting. Vancouver, Canada. 2001.
Holdsworth L, Wu XG, Ekanayake JB,
Jenkins N. Comparison of fixed
speed and doubly-fed induction wind
turbines during power system
disturbances. IEE Proceedings
Generation,
Transmission,
Distribution. 2003; 3: 343-352.
Ekanayake, J.B, Holdsworth, L, Wu, X.,
Jenkins, N. Dynamic modeling of
Doubly Fed Induction generator
wind turbines. IEEE Transaction on
Power Systemse. 2003; 2: 803-809.
J. Morren, J.T.G. Pierik, S.W.H. de Haan, J.
Bozelie. Grid interaction of offshore
wind farms. Part 1. Models for
dynamic simulation. Wind Energy.
2005; 8(3).
R. Pena, J.C. Clare, G.M. Asher. Doubly-fed
induction generator using back-toback PWM converters. IEE Proc.Electr. Power Appl., Vol. 143, No.
3, May 1996
SIMPULAN
Simulasi turbin angin diaktifkan
secara terisolasi (tidak terhubung ke grid)
untuk induksi generator. Namun untuk
efisiensi terbaik sistem DFIG digunakan
sistem yang terhubung ke sisi grid dan
memiliki kontrol yang lebih baik. Converter
sisi rotor (RSC) biasanya menyediakan daya
aktif dan daya reaktif yang mengontrol
mesin, sementara converter grid-sisi (GSC)
menjaga tegangan dari link DC-konstan.
Pada simulasi sisi jaringan dan
parameter pada sisi turbin angin, hasil yang
sesuai telah ditampilkan. Model ini adalah
versi diskrit dari Wind Turbin Ganda-Fed
61